DE19709453A1 - Verfahren zur mikrobiellen Reinigung von halogenierten Ethenen - Google Patents

Description

Halogenierte Ethene fanden in der Vergangenheit unter anderem als Entfettungsmittel in der metallverarbei­ tenden Industrie und bei der Textilreinigung weitver­ breitete Anwendung. Inzwischen sind diese gesund­ heitsgefährdenden Stoffe vielerorts im Grundwasser und Boden nachweisbar.

Die Behandlung von Schadensfällen erfolgt vorwiegend durch Bodenluftansaugung bzw. durch Strippen des Grundwasserleiters mit Luft. Die mit flüchtigen Kom­ ponenten beladene Abluft wird anschließend über Ak­ tivkohlefilter geleitet. Dabei werden die Schadstoffe durch Adsorption an die Aktivkohle aus dem Abluft­ strom entfernt. Die beladene Aktivkohle kann regene­ riert und erneut zur Reinigung der Abluftströme ein­ gesetzt werden. Ist eine Regeneration der Aktivkohle nicht wirtschaftlich, wie im Falle der Reinigung niedrig beladener Abluftströme, wird die Aktivkohle zusammen mit den adsorbierten Schadstoffen verbrannt.

Bei der Verbrennung von CKW-beladener Aktivkohle kön­ nen polychlorierte Dioxine entstehen. Die "17. Ver­ ordnung zum Bundesimmisionsschutzgesetz" schreibt da­ her für die thermische Abfallbehandlung einen Dioxin-Grenz­ wert von 0,1 ng/m³ Abluft vor. Die Regeneration von Aktivkohle ist dann unwirtschaftlich, wenn in dem zu reinigenden Abluftstrom nur geringe Konzentratio­ nen an den zu entfernenden Schadstoffen vorhanden sind und deshalb die Aktivkohle aufgrund der Adsorp­ tionsthermen nur gering beladen wird. Bei geringen Schadstoffkonzentrationen in der zu reinigenden Ab­ luft sind aufgrund des niedrigen Beladungsspielraumes große Mengen an Aktivkohle erforderlich. Die thermi­ sche Entsorgung dieser Aktivkohle beeinflußt im Falle einer Boden- und Grundwassersanierung als wesentli­ cher Kostenfaktor erheblich die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.

In der Praxis wird oft der Abluftstrom nur in der Anfangsphase der Sanierung bei hohen Schadstoffkon­ zentrationen mit Aktivkohlefiltern gereinigt. Sinkt die Schadstoffkonzentration im Laufe des Sanierungs­ verfahrens unter die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte der TA Luft, wie dies bei der Bodenluft­ absaugung üblich ist, so wird die Abluft ungereinigt an die Atmosphäre abgegeben. Diese Umverteilung der Schadstoffe von Boden, Grundwasser und Bodenluft in die Atmosphäre ist aus ökologischen Gründen fragwür­ dig.

Boden und vor allem Grundwasser sind hohe Schutzgü­ ter. Aus umweltpolitischen Erwägungen ist man daher bestrebt, CKW-Schadstoffe dauerhaft zu sanieren, ohne eine Umverteilung der CKW in die Atmosphäre zu bewir­ ken. Die Reinigung niedrig beladener Abluftströme aus der Bodenluftabsaugung ist jedoch sehr kosteninten­ siv, da große Mengen niedrigbeladener Aktivkohle an­ fallen, die nicht wirtschaftlich regeneriert werden können und unter hohen Kosten thermisch entsorgt wer­ den müssen.

Unter anaeroben Bedingungen entsteht bei durch Tetra­ chlorethen (PCE) und Trichlorethen (TCE) verursachten Schadensfällen infolge der Aktivität der autochthonen Mikroflora des Bodens Vinylchlorid (VC), welches ein besonderes Problem darstellt. Zum einen ist es be­ kanntermaßen karzinogen und teratogen, zum anderen adsorbiert es nur in äußerst geringen technisch nicht relevanten Mengen an Aktivkohle. CKW-Schadensfälle mit höheren VC-Konzentrationen gelten daher als mit den beschriebenen Methoden nach dem derzeitigen Stand der Technik nicht sanierbar.

Als kostengünstige Alternative zur Reinigung von kon­ taminiertem Boden, Grundwasser und Bodenluft bieten sich aus diesen Gründen biologische Verfahren an. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, Methan in das Erdreich zu injizieren, um dort Methan oxidie­ rende (methylotrophe) Bakterien anzureichern und zu aktivieren.

Die biologische Abbaurate ist abhängig von der Anzahl der Chlorsubstituenten und der An- bzw. Abwesenheit von Sauerstoff. Hochchlorierte CKW, insbesondere PCE, werden ausschließlich unter anaeroben Bedingungen, niedrig chlorierte CKW dagegen vorwiegend unter aeroben Bedingungen biologisch abgebaut. Methan oxi­ dierende (methylotrophe) und Aromaten abbauende Bak­ terien sind beispielsweise in der Lage, TCE zu mine­ ralisieren, also zu Kohlendioxid, Wasser und Chlorid umzuwandeln. Der Intitialangriff erfolgt durch eine Oxygenase. Durch die Oxygenase-Reaktion wird jedoch ein hochreaktives Epoxid gebildet, das die Zelle schädigt und desaktiviert. Die Schädigung erfolgt durch Alkylierung von Zellproteinen. Der Stamm Pseu­ domonas Putida F1 wird beispielsweise sehr schnell durch den TCE-Umsatz desaktiviert. Die Oxygenaseakti­ vität verringert sich innerhalb von 20 Minuten auf 2% der Anfangsaktivität.

In der EP 0 447 862 B1 wird ein Verfahren zur biolo­ gischen Reinigung von mit halogenierten Ethenen und/oder halogenierten Butadienen kontaminierten Gas­ strömen, insbesondere aus der Bodenluft, beschrieben. Bei diesem Verfahren werden teure Wachstumssubstrate (Auxiliarsubstrate) wie Isopren und/oder Butadien eingesetzt. In der Praxis erwies sich dieses Verfah­ ren als kostenintensiv, da die eingesetzten Bakterien zur Regeneration mit größeren Mengen Isopren versorgt werden müssen. Da es sich bei Isopren um eine relativ leicht abbaubare Verbindung handelt, ist das Risiko einer Fremdverkeimung durch nicht dehalogenierende Bakterien sehr hoch und kann nur durch aufwendige steriltechnische Maßnahmen vermieden werden, die sich erheblich auf die Betriebskosten auswirken.

In der EP A 0 336 718 wird ein weiteres Verfahren zum mikrobiologischen Abbau von Trichlorethen mit Hilfe gentechnisch veränderter Mikroorganismen beschrieben. Vor Einsatz eines solchen Verfahrens zur Sanierung von Schadensfällen sind besondere Sicherheitsmaßnah­ men zu treffen und langwierige Genehmigungsverfahren erforderlich. Außerdem sind Probleme bei der Akzep­ tanz durch die Bevölkerung nicht auszuschließen.

Die DE-A 33 26 057 beschreibt ein Verfahren zur bio­ logischen Reinigung der Abluft. Durch die eingesetz­ ten Mikroorganismen können ein- und zweifach chlo­ rierte Alkane, Chlorbenzol und Chlortoluol minerali­ siert werden. Ein Abbau von halogenierten Ethenen ist nicht beschrieben.

Keines der Verfahren ist geeignet, PCE abzubauen.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur mikrobiellen Reinigung von halogenierten Ethenen anzugeben, mit dem ein ein­ facher und vollständiger Abbau möglich ist.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.

Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, Bakterien anzureichern, die Ethen als Kohlenstoff- und Energie­ quelle verwerten und die gleichzeitig in der Lage sind, halogenierte Ethene als Kohlenstoff, z. B. cDCE, zu mineralisieren. In einem Bioreaktor werden diese Bakterien mit Ethen als Kohlenstoff und Energiequelle versorgt. Die abzubauenden halogenierten Ethene wer­ den in den Bioreaktor mit den präadaptierten Mikroor­ ganismen geleitet. Dort werden die Chlorethene voll­ ständig mineralisiert. Das Auxiliarsubstrat Ethen und halogenierte Ethene können simultan abgebaut werden. Besonders geeignet ist das Verfahren für cis-1,2-Di­ chlorethen und/oder Vinylchlorid, das in Konzentra­ tionen von bis zu 100 mg/l gereinigt werden kann.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich geworden, z. B. Grundwasser zu reinigen, das mit allen halogenierten Ethenen einschließlich PCE und VC kontaminiert ist. Dies ist auch bei gering belastetem Grundwasser und Erdreich möglich.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, daß es in einer Kombination mit einer anaeroben Stufe angewendet wird. Als erste Stufe wird dabei die aus dem Stand der Technik bekannte Maßnahme ausgenutzt, daß anaerobe Bakterien und Mischkulturen in der Lage sind Chlorethene reduktiv zu dehalogenie­ ren. Dabei wird PCE unter Freisetzung von Chlorid schrittweise zu TCE, cis-Dichlorethen (cDCE), VC und Ethen umgewandelt. Da die beiden ersten Dehalogenie­ rungsschritte sehr effizient und schnell erfolgen, die Dehalogenierung von cDCE und insbesondere von VC jedoch in technisch nicht relevanten Raten, wird die vorstehend beschriebene anaerobe reduktive Dehaloge­ nierung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombi­ niert.

Ferner ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfah­ rens möglich geworden, sowohl mit halogenierten Ethe­ nen kontaminiertes Grundwasser als auch Boden und Bo­ denluft in situ zu reinigen. Die In-situ-Reinigung des kontaminierten Bodens kann erfolgen, indem das Grundwasser nach der Behandlung im Bioreaktor mit geeigneten Energie- und Kohlenstoffquellen, z. B. mo­ lekularem Wasserstoff, Kohlenhydraten, Alkoholen oder organischen Säuren, versetzt und in den Boden infil­ triert wird. Damit wird ein anaerobes Milieu geschaf­ fen und anaerobe, reduktiv dehalogenierende, autoch­ thone Mikroflora aktiviert. Durch einen hydraulischen Kreislauf werden die hochchlorierten Ethene PCE und TCE im Boden zu cDCE dehalogeniert. Das Grundwasser wird abgepumpt und beispielsweise über der Geländer­ oberkante in Bioreaktoren behandelt. Die in der Bo­ denluft befindlichen Chlorethene lösen sich im rein­ filtrierten Grundwasser. Verbliebene Reste der Chlor­ kohlenwasserstoffe können abgebaut werden, indem die Bodenluft zur Belüftung des aeroben Bioreaktors ver­ wendet wird.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß Ethen abbau­ ende Bakterien in der Lage sein können, halogenierte Ethene abzubauen. Die beispielsweise von Habets-Crüt­ zen et al. (1984) aus der Arbeitsgruppe von de Bont früher beschriebenen Ethen abbauenden Bakterienstämme erreichten für Ethen-Abbauraten von 9 bis 50 nmol/.mg_Protein. Hou et al. (1983) beschreiben eine Oxi­ dation von Ethen durch Bakterien, die auf Propan ge­ züchtet wurden. Hier wurden 1,2 bis 43 nmol/min.mg_Protein gemessen. Auch Ewers (1991) konnte Ethen abbauende Bakterienkulturen anreichern, machte jedoch keine Aussagen über die Abbauraten. Er unter­ suchte die Ethen abbauenden Kulturen auch auf Verwer­ tung von Chlorethenen und Chloridfreisetzung, konnte jedoch nicht von positiven Ergebnissen berichten. Auch in Hou et al. (1983), Heyer (1976) und den Schriften aus der Arbeitsgruppe von de Bont finden sich keine Hinweise auf einen Abbau von oder eine Chloridfreisetzung aus chlorierten Ethenen durch Ethen verwertende Bakterien.

Die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegen­ den Bakterienkulturen bauen Ethen in Raten bis zu 60 nmol/min.mg_Protein ab und sind in der Lage, halogenierte Ethene, wie z. B. cDCE, vollständig zu mineralisieren und dabei auch extrem hohe Konzentrationen dieser toxischen Verbindungen zu tolerieren. Die hohe Resi­ stenz gegenüber halogenierten Ethenen beruht darauf, daß die beim oxidativen Abbau primär gebildeten Ep­ oxide durch die Ethen verwertenden Bakterienstämme sehr wirksam entgiftet werden.

Ethen wird von den Mikroorganismen, die zur Verwer­ tung dieses Substrats befähigt sind, im ersten Schritt der Abbausequenz durch eine Oxygenase-Reak­ tion zu Ethylenoxid oxidiert. Um eine Zellschädigung durch diese hochtoxische Verbindung, die auch zu Ste­ rilisationszwecken eingesetzt wird, zu verhindern, sind diese Mikroorganismen auf ein hocheffizientes epoxidspaltendes Enzymsystem angewiesen, das Ethylen­ oxid entgiftet. Dieses Enzymsystem ist auch in der Lage, die beim primären Oxidationsschritt aus Chlor­ ethenen entstandenen Epoxide zu spalten. Auf diese Weise können präadaptierte Mikroorganismen selbst hohe Konzentrationen von halogenierten Ethenen tole­ rieren und dehalogenieren.

Geeignete Bakterien zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens erhält man durch Anreicherung mit Ethen als einziger Kohlenstoff- und Energiequelle gemäß den Fachleuten bekannten Techniken mit Proben aus geeigneten Standorten, die sowohl Ethen als auch Chlorethenen ausgesetzt waren. Bakterienkulturen, die auf diese Weise angereichert wurden, weisen folgende überraschende Eigenschaften auf:

• - hohe Toleranz gegenüber halogenierten Ethenen, wie z. B. cDCE,
• - hohe Abbauaktivität gegenüber halogenierten Ethenen, wie z. B. cDCE,
• - Fähigkeit zum simultanen Abbau von halogenierten Ethenen und dem Auxiliarsubstrat Ethen,
• - geringer Bedarf an Ethen als Auxiliarsubstrat,
• - geringe Anfälligkeit für Fremdverkeimung bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beispiele für geeignete Bakterienstämme sind PS5, KD20, KL1, KL2, KL3, KL4, KL5 oder Mischkulturen.

Der CKW-Abbau durch die in EP 0 447 862 B1 beschrie­ benen Isopren und/oder Butadien abbauenden Bakterien­ stämme erfolgt nur in Abwesenheit geeigneter Kohlen­ stoff- und Energiequellen. Nach einigen Stunden des CKW-Abbaus läßt ihre Aktivität durch den allmählich auftretenden Energiemangel nach, so daß sie durch Zugabe von Isopren und/oder Butadien reaktiviert wer­ den müssen. Im Gegensatz dazu sind die der Erfindung zugrunde liegenden Bakterienkulturen in der Lage, Chlorethen und Ethen simultan abzubauen, so daß sich verfahrenstechnisch aufwendige Regenerationszyklen erübrigen. Der Abbau von Chlorethenen erfordert bei allen bisher in der Fach- und Patentliteratur be­ schriebenen Bakterienkulturen den Einsatz des jewei­ ligen geeigneten Auxiliarsubstrats im Überschuß. Überraschenderweise benötigen die der Erfindung zu­ grunde liegenden Ethen abbauenden Bakterienstämme le­ diglich eine - verglichen mit den halogenierten Ethenen - signifikant geringere Menge des Auxiliar­ substrats Ethen, um den Energiestoffwechsel und die Abbauaktivität gegenüber Chlorethenen aufrechtzuer­ halten. Für das erfindungsgemäße Verfahren können also geringe Konzentrationen des Auxiliarsubstrats eingesetzt werden, wodurch sich die Wirtschaftlich­ keit erhöht. Die Versorgung der Mikroorganismen mit Ethen erfolgt über die Gasphase. Die Konzentrationen sind so niedrig (unter 2,3% (v/v)), daß kein explo­ sives Gasgemisch entstehen kann, wodurch aufwendige Explosionsschutzmaßnahmen hinfällig werden.

Einzelne angereicherte Bakterienkulturen sind sogar über längere Zeiträume zum produktiven Abbau, also zur Verwertung von halogenierten Ethenen, wie z. B. cDCE, als einzige Energie- und Kohlenstoffquelle, be­ fähigt.

Es zeigte sich, daß die der Erfindung zugrunde lie­ genden Ethen abbauenden Bakterienkulturen gegenüber Fremdverkeimung unempfindlich sind. Luftkeime oder Fremdkeime aus dem Wasser, die Ethen und/oder haloge­ nierte Ethene unspezifisch oxidieren, bilden das hochtoxische Ethylenoxid oder Epoxide aus den haloge­ nierten Ethenen, was ohne hocheffiziente epoxidspal­ tende Enzymsysteme zu schweren Zellschädigungen führt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind also aufwendige und kostenintensive steriltechnische Maß­ nahmen zur Vermeidung einer Fremdverkeimung und zur Aufrechterhaltung des biologischen Abbauprozesses nicht notwendig.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es sich bei Ethen um ein ver­ gleichsweise preiswertes Auxiliarsubstrat handelt.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren an­ hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert:

Beispiel 1 Anreicherung von geeigneten Mikroorganismen

Zur Anreicherung geeigneter Bakterien wurde Belebt­ schlamm aus der Betriebskläranlage eines Ethen und CKW produzierenden Industrieunternehmens als Inokulum eingesetzt. Als einziger Kohlenstoff- und Energie­ quelle wurde Ethen verwendet. Zur Anzucht der Flüs­ sigkulturen wurde die von Dorn et al. (1974) angege­ bene Mineralsalzlösung verwendet. Ethen wurde in den Konzentrationen zwischen 3% und 20% (jeweils v/v in der Gasphase) zugegeben. Die Inkubation erfolgte in Schüttelkolben mit Schikanen und einem Nennvolumen von 100 ml bzw. 500 ml, in denen sich 10% des Nenn­ volumens an Mineralmedium befanden, bei 30°C auf einen Rotationsschüttler bei 135 Upm. Das bakterielle Wachstum wurde durch Messung der optischen Dichte bei einer Wellenlänge von 546 nm in einem Photometer (DU 50, Beckmann Instruments Inc., UK) bestimmt. Die Iso­ lierung der Bakterien erfolgte auf Agarplatten (Agar No. 1 Oxoid Ltd., London, UK) mit Mineralmedium. Et­ hen wurde hierbei über die Gasphase (1,9% v/v) zudo­ siert.

Beispiel 2 Screening nach dehalogenierenden Mikroorganismen

Die Dehalogenierungsaktivität der angereicherten Bak­ terien wurde über die entstehende Chloridmenge be­ stimmt. Hierzu wurde der Chloridtest von Weightman et al. (1985) für auf Platten gezüchtete Zellen bzw. ein von Ewers (1991) modifizierter Test nach Weightman et al. (1985) für Flüssigkulturen verwendet. Es wurde jeweils 1 mM cDCE bei diesem Test eingesetzt. Die Kulturen mit hohem Abbaupotential wurden am Silber­ niederschlag erkannt.

Fig. 1 zeigt das Wachstum einer Mischkultur auf 250 µM Ethen in Gegenwart von 800 µM cis-1,2-Di­ chlorethen in einer Batch-Kultur. Die Konzentratio­ nen beziehen sich auf die Flüssigphase. Die Anzucht erfolgte in einem Schüttelkolben mit Schikanen und einem Nennvolumen von 500 ml. Die zu untersuchenden Proben wurden mit einer gasdichten Spritze durch ein Septum aus dem Gasraum des Kolbens entnommen. Die Detektion von Ethen und cDCE erfolgte mit Hilfe eines Gaschromatographen (Injektor-, Detektor- und Ofentem­ peratur 250°C, 200°C und 170°C, FID, Plora PLOT U-Säule (25 m × 0,53 mm) mit He (30 kPa Säulenvor­ druck) als Trägergas). Die optische Dichte wurde bei 546 nm bestimmt. Cis-1,2-Dichlorethen wird am Ende der exponentialen Phase und während der stationären Phase abgebaut.

Claims (11)

1. Verfahren zur mikrobiologischen Reinigung von halogenierten Ethenen, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Ethen als Kohlenstoff- und Energie­ quelle wachsende und halogenierte Ethene abbau­ ende Bakterienstämme mit Ethen als Kohlenstoff- und Energiequelle zur Neubildung und zur Ener­ gieversorgung präadaptiert und mit den zu reini­ genden halogenierten Ethenen in einem aeroben Bioreaktor kontaktiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bakterien im aeroben Bioreaktor simultan und/oder konsekutiv mit Ethen und halogenierten Ethenen kontaktiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ethen als Koh­ lenstoff- und/oder Energiequelle über die Gas­ phase mit der Zuluft in einer Konzentration von unter 2,3% (v/v) in den Bioreaktor eingeführt wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bakterienstämme im Bioreaktor mit einem zu reinigenden Wasser, enthaltend halogenierte Ethene, kontaktiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß kontaminiertes Grundwasser gereinigt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man mit halogenier­ ten Ethenen kontaminierte Luft zur Begasung des Bioreaktors einsetzt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man mit halogenier­ ten Ethenen kontaminierte Bodenluft einsetzt.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Reinigungs­ stufe im aeroben Bioreaktor eine anaerobe Stufe zur reduktiven Dehalogenierung der halogenierten Ethenen durchgeführt wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bakterien­ stämme PS5, KD20, KL1, KL2, KL3, KL4, KL5 oder Mischkulturen hiervon verwendet.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß cis-1,2-Dichlorethen und/oder Vinylchlorid enthaltendes Wasser und/oder Luft gereinigt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man Konzentrationen von cis-1,2-Dichlorethen und/oder Vinylchlorid bis zu 100 mg/l reinigt.